Rosetta prezentuje minuloročné výsledky

Šéf projektu, David Baker stručne prezentoval na diskusnom fóre najnovšie výsledky projektu Rosetta@home. Profesor Baker pracuje na siedmych rukopisoch, kde budú podrobne popísané závery najnovšieho výskumu a na fóre zverejnil ich krátke popisy.
 

1) Súčasné predpovedanie skladania a spájania sa proteínov pri vysokom rozlíšení

Prvá práca sa týka modelovania symetrických homomultimérov (symetrické bielkoviny zložené z viacerých rovnakých podjednotiek, viď obrázok). Rosetta tu prezentuje všeobecné metódy súčasného skladania a spájania (jednotky označené ako "folding and docking") viacerých podjednotiek zloženého proteínu nadväzujúce na nedávne úspechy modelovania proteínov "de novo". Slepé predpovede (predpovedanie štruktúry na základe sekvencie aminokyselín, pričom v čase modelovania sa nepozná štruktúra proteínu) proteínov s vysokým rozlíšením nie sú zatiaľ presné v predpovediach najčastejšie sa vyskytujúcich foriem - symetrických homomultimérov. Nová metóda Rosetty, ktorá sa testovala na veľkých α-helixových reťazcoch, β-skladaných listoch a prekladaných alfa-beta motívoch, dosahovala takmer atomárnu presnosť. Potencionálne využitie tejto metódy je hlavne pri molekulovom nahradení fázovej straty, vznikajúcej pri röntgenovej kryštalografii. Výsledky slepých testov na "zvinuté špirály" ako aj dvoch dimérov s komplexnejšou štruktúrou, neskôr určených pomocou nukleárnej magnetickej rezonancie (NMR) sú tiež zahrnuté v tomto rukopise. Výsledky naznačujú, že metódy presného modelovania s vysokým rozlíšením sú veľmi blízko nasadeniu pre širokú komunitu ľudí zaoberajúcich sa modelovaním proteínov a môžu mať okamžité praktické využitie pri eliminácii fázových strát v kryštalografii a na rýchle určenie štruktúry multimérov bez dostatočných informácií z NMR (určenie pomocou NMR je presné, ale vysoko nákladné a Rosetta by mohla nahradiť toto drahé testovanie simuláciou).

2) Zmena špecifity enzýmov prestavbou a návrhom výpočtového cyklu

David Baker v druhej práci popisuje nový prístup využívajúci Rosettu na prestavbu enzýmov v ľudskom tele katalyzujúcich nové reakcie. Jeho študent Paul Murphy nielen vyvinul novú metódu, ale taktiež opísal spôsob vytvorenia nových enzýmov, ktorý je potrebný napríklad pre génovú terapiu.

Predpokladajme, že pacient potrebuje na zotavenie infúziu buniek od inej osoby. Je určitá pravdepodobnosť, že tieto "transplantáty" spôsobia viac komplikácií ako osohu a je potrebné ich selektívne zabiť. Na tento účel sa vyvinuli špeciálne látky, ktoré nie sú pôvodne toxické, ale jedovatými sa stávajú až po ich premene pomocou určitých osobitných enzýmov. Ak sú tieto špecifické "aktivátory" implantované do transplantovaných buniek, môžu sa potom v prípade núdze nebezpečné bunky zničiť podaním už spomínaných látok. Tu však nastáva problém, aký enzymatický katalyzátor sa má použiť. Ak by túto premenu z netoxickej látky na toxickú spôsoboval enzým nachádzajúci sa bežne v ľudskom tele, došlo by k ťažkému poškodeniu aj u zdravého tkaniva. Ak by sa využil cudzí, telu neznámy enzým, napríklad z baktérii, potom by síce k poškodeniu organizmu nedošlo, ale mohla by nastať skorá imunitná odpoveď na vniknutú cudziu bielkovinu a enzým by bol zničený.

Riešením je, aby sa pre tento účel použil modifikovaný, ľudskému telu vlastný enzým, ktorý imunitný systém nebude napádať. Navonok sa bude tento katalyzátor tváriť ako bežný enzým metabolickej dráhy, no vnútri štruktúry reťazca sa zmení aktívne miesto, aby bol schopný premeniť netoxické látky na toxické produkty. Paul Murphy navrhol, ako môže byť enzým ktorý deaminuje guanín zmenený v oblasti postranného aj základného reťazca na enzým deaminujúci cytozín. Tento na novo navrhnutý enzým nie je síce zatiaľ v praxi použiteľný, ale ďalšími úpravami by mohol byť využitý v génovej terapii.

Práca už bola prijatá na publikáciu v Proceedings of the National Academy of Sciences, (PNAS) a po drobnom prepracovaní a skrátení bude aj uverejnená.

3) Slepé spájanie farmaceuticky dôležitých zlúčenín pomocou RosettaLigand

RosettaLigand je program využívaný okrem iného aj na navrhovanie nových molekúl použiteľných ako lieky proti chorobám. Problémom je spôsob, ako predpovedať naviazanie molekuly lieku na bielkovinu. Zistením spôsobu naviazania sa zvýši efektívnosť, a identifikácia najlepšieho kandidáta na boj s chorobou. Metódy modelovania a spájania malých molekúl sa začlenili do Rosetty a vytvoril sa nový dokovací (spájací) algoritmus, RosettaLigand. Ten bol testovaný na verejne dostupných datasetoch. RosettaLigand je používaná napríklad farmaceutickými spoločnosťami, ktoré si zakúpia licenciu. Síce výsledky prác týchto farmaceutických firiem nie sú verejne prístupné pre obchodné tajomstvo, ale bolo s jednou z nich dohodnuté ohodnotenie kvality výsledkov pre ďalšie zlepšenie presnosti programu. Ian Davis, pracujúci na tomto projekte, mohol nazrieť do citlivých údajov jednej farmaceutickej firmy a analyzovať skutočné výsledky získane pomocou RosettaLigand a tieto výsledky sú veľmi povzbudivé. Nielenže je RosettaLigand jedna z najlepších súčasných metód pre tento dôležitý spôsob vývoja liekov, ale navyše sa odhalili možné zlepšenia, na ktoré by verejne dostupné datasety nestačili. Práce na zlepšení RosettaLigand už začali.


4) Výsledky Rosetta@home v CASP8

Rosetta@home sa zúčastnila súťaže CASP8 a výsledky predpovedania bielkovín sú verejne prístupné. Práve CASP ako celok poskytuje neoceniteľné a rozsiahle možnosti porovnania metód predpovedania proteínovej štruktúry na voľne prístupných modelových úlohách (konkrétne bielkoviny) s ostatnými výskumnými skupinami. Pri väčšine bielkovín sa externe zistila primárna štruktúra, teda sled jednotlivých aminokyselín v reťazci a boli spoľahlivo odvodené jednotlivé čiastkové vyššie štruktúry, ako sú závitnice a skladané listy na urýchlenie celej simulácie. Tu použila Rosetta metódu prestavby a optimalizácie na vytvorenie modelu s nízkou energiou. Pri niekoľkých bielkovinách sa nedali spoľahlivo určiť jednotlivé časti, preto sa pri týchto cieľoch použila už spomínaná metóda "de novo" modelovania len na základe poradia aminokyselín vo vzorci. Všetky modelové bielkoviny mali značne upresnenú štruktúru pomocou celoatomárneho silového poľa s vysokým rozlíšením. Celkovo sa Rosetta umiestnila na popredných, "prvých" miestach (Rosetta@home vystupovala ako skupina DBAKER) v konkurencii množstva výborných metód a ich tvorcov, medzi ktorými boli vo výsledkoch často len malé rozdiely.

5) Výsledky Rosetty v boji s Alzheimerom

Rosetta našla uplatnenie aj pri hľadaní liečby amyloidných chorôb. V podstate je to patologické nahromadenie fyziologických bielkovín v tkanive, ich následná zmena štruktúry a možné "vyzrážanie". Telu vlastné proteíny zmenia svoju natívnu (prirodzenú) štruktúru, spájajú sa a tak vytvoria amyloidné vlákna (plak), amorfnú hmotu, spôsobujúce sekundárne ochorenia. To je aj jedna z príčin vzniku Alzheimerovej choroby, pri ktorej vzniká z prekurzorných fyziologických bielkovín neurotoxický proteín beta-amyloid, tvoriaci už spomínaný amyloidný plak. Tento plak obaľuje neuróny, poškodzuje synaptické spojenia a spôsobuje ich zánik. Beta-amyloid sa môže ukladať aj v cievach a tam spôsobovať autoimunitné zápalové reakcie, ktorých produktom sú voľné kyslíkove radikály peroxidujúce fosfolipidy v bunkovej membráne neurónov, ktoré následne odumrú.

Rosetta, spolu s výskumnou skupinou David Eisenberg's research group, zisťovala, ktoré časti proteínu sú zodpovedné za vznik amyloidov a aké molekuly by mohli blokovať ich vznik. Tieto molekuly v prostredí, kde tieto amyloidy normálne vznikajú, blokujú ich tvorbu a tie sa prestanú formovať. Je to síce vzrušujúci objav, ale ešte stále veľmi vzdialený od objavu účinnej látky k tvorbe konkrétneho lieku.

6) Návrh DNA "strihajúcich" enzýmov

DNA strihajúce enzýmy sú schopné na špecifických miestach rozdeliť dvojzávitnicu DNA. Enzýmy navrhované Rosettou budú schopné vystrihnúť určitú sekvenciu zloženú z 20 dusíkatých báz (DB). Treba pripomenúť, že DNA ja zložená zo štyroch základných báz, a to A(denín), T(ymín), G(uanín), C(ytozín) a tie môžu vytvoriť sekvenciu ako napríklad AGAATAGGATCCAGATCGTC. Je veľmi nepravdepodobné, že sa v ľudskom genóme takéto dlhé sekvencie vyskytnú viac krát. Takže ak navrhneme enzým na vystrihnutie konkrétnej časti, je pravdepodobné, že sa to stane len na jednom mieste DNA. Či sa daná sekvencia skutočne vyskytuje len raz sa dá overiť, pretože ľudský genóm je už známy.

Pri predpoklade, že vytvoríme enzým, ktorý vystrihne konkrétnu známu mutáciu v DNA tento navrhnutý enzým spolu so správnou kópiou génu aplikujeme do bunky. Môžeme očakávať, že po vystrihnutí bude tento výrez opravený práve tou správnou kópiou pridanou spolu s enzýmom. DNA zlomy sa v bunke prirodzene opravujú pomocou kópie DNA fragmentu ležiaceho blízko pôvodného celistvého vlákna, čo môžeme využiť na to, aby sa DNA opravila sama vložením kópie “zdravého génu“. Tieto enzýmy majú potenciálne využitie v génovej terapii, je to však stále veľmi ďaleko od praktického použitia, napríklad aj pri liečbe nádorových ochorení. Zatiaľ sa podarilo vymodelovať enzýmy, ktoré sú schopné vystrihnúť genetickú informáciu na odlišných miestach a teraz sa skúma systém, akým tieto enzýmy môžu fungovať.

7) Schopnosť produkovať vierohodné predpovede

Už spomínaná súťaž CASP8 mala pokračovanie, keď hodnotitelia výsledkov požiadali skupiny, ktorých modely boli geometricky a energeticky takmer na nerozoznanie od natívnej štruktúry, aby popísali spôsob, ako môžeme byť schopní trvalo generovať fyzicky vierohodné modely proteínov. Profesor Baker v jeho poslednej práci vysvetľuje systém fungovania modelov Rosetty a to, ako sa Rosetta dopracovala k veľmi presným výsledkom.

Záver

Sami vidíte, že vývoj aj napriek ťažkostiam napreduje stále dopredu. To, čo bolo spomenuté ako potencionálny liek však nebude ešte dlhú dobu nič iné, ako grafický návrh na obrazovke. Znamená to teda, že k finálnemu produktu, lieku, máme stále ešte ďaleko? Čas je relatívny pojem a už mnohokrát sa v histórii ukázalo, že na ohromný pokrok stačí jediná geniálna myšlienka. David Baker udržiava komunitu informovanú o postupe výskumu na fóre projektu Rosetta@home a pravdepodobne aj vďaka týmto informáciám obdržala Rosetta značnú finančnú podporu od neznámeho darcu na zlepšenie a urýchlenie výskumu. To primälo ľudí okolo Rosetty k vytvoreniu Fondu Rosetta@home, kam môže prispieť ktokoľvek, kto chce svojou troškou podporiť tento výskum. Samozrejme ako aj každý, kto daruje výkon svojho počítača Rosette, prispeje k dosiahnutiu všetkých týchto vecí. A za to všetkým patrí vďaka.

© by OŠO, Miloš Laššák

& edit gabberattack